Híranyagok alapvető jellemzői, érzékszerveink felbontása, finomsága és becsaphatósága

1. Híranyagok alapvető jellemzői, érzékszerveink felbontása, finomsága és becsaphatósága Csiszár János Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

2. Bevezetés • Hallás, látás, szaglás, ízlelés, tapintás, hőérzet, (egyensúlyérzet) • Internetes kommunikáció során: hallás, látás (egyenlőre) • Hallás, látás minőségi jellemzőinek megismerése • Az információt digitális formában közvetítjük, adott a csatorna kapacitása • CD hangadat: 1,4 Mbit/s, SDTV kép (4:2:2): 216 Mbit/s • Adatredukció (tömörítés) szükséges, de úgy, hogy ne vegyük észre (legalább is azt szeretnénk, hogy ne legyen látható-hallható a tömörített információn a beavatkozás!) • Először a hallással foglalkozunk, aztán a látással Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

3. A hangtér jellemzői, hanghullámok • Légnyomás: 100.000 Pascal, ezt növeli, csökkenti a hangnyomás • Legkisebb, hallható hangnyomás(1 kHz) 20 μPa • Legnagyobb, elviselhető hangnyomás: 20-50 Pa • Gömbhullám (pontsugárzó), síkhullám (síksugárzó), hengerhullám (vonalsugárzó) • Közelítés: tekintsük a hangforrást pontsugárzónak, hangnyomás (p), részecske sebesség (v), a hangtér impedanciája: p/v • Gömbhullám: p és v nincsenek fázisban, komplex szám adódik • „Elég messziről” szemlélve a gömbhullámot síkhullámnak tekinthető • „Akusztikai Ohm törvény” p / v = ρ c a levegő specifikus impedanciája, valós szám Az intenzitás a távolság négyzetével fordítva, A hangnyomás a távolsággal fordítva arányos Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

4. A hallás „blokksémája” 0,6 cm2 0,03cm2 Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

5. A hallás frekvencia és szintfüggése Weber-Fechner:hangosságérzet 40dB+40dB=43dB Fletcher-Stevens:hangosság 40 dB felett igaz csak!!! 40phon=1son 1son+1son=2son Helmholtz rezonátor Fülkagyló hatása Szabad térben (süketszobában) mért görbesereg Létezik diffúz térben és fejhallgatóval mért görbesereg is! Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

6. phon, son, dB • Inger érzet • W-F szerint : logaritmikus, százszoros intenzitású hangot hússzor hangosabbnak hallunk • Fl-St szerint : hatványkitevős (0,3), százszoros intenzitású hangot négyszer hangosabbnak hallunk • Kísérlet: 10 hang 500Hz-től 500 Hz-enként, 60 dB intenzitással szól, mekkora intenzitású 1 kHz-es hangot hallunk ugyanolyan erősnek? • Eredmény: a 93 dB-est! W-F szerint: a 70 dB-est kellene ugyanolyan erősnek hallani! • Milyen átszámítás a jó, hogy a 10 jelet 10-szer olyan hangosnak halljuk? 60 phon=4 son, 10 x 4=40 son=93 dB Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

7. A phon-son átszámítási görbe (Tarnóczy Tamás) Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

8. A hallás kritikus sávjai Bizonyos feltételekkel a W-F törvény igaz! Bizonyos frekvenciasávokon belül az intenzitások összegződnek! Ezek a sávok a kritikus sávok. (Tarnóczy Tamás) Barkhausen tiszteletére „Bark”-ak nevezték el a sávokat, 24 db létezik. Sávszélességük változó, 400 Hz-ig 100 Hz, 1 kHz felett a frekvencia logaritmusával arányosan növekszik. Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

9. Hangelfedés a frekvencia tartományban • Megszólaló színuszos hang, vagy keskenysávú zörej a hallásküszöb görbét módosítja, a jel frekvencia környezetében érzéketlenebb lesz hallásunk. 1) Nagyobb intenzitású elfedő jel szélesebb frekvenciasávban okoz elfedést 2) A fedőgörbe nem szimmetrikus, nagyobb frekvenciák felé szélesebb sávban hat (kórus: basszus, szoprán) A görbe alatti intenzitású hangokat nem halljuk! A hangesemény dinamikusan változó fedőgörbét alakít ki, ami a görbe alatt van energiában, azt nem kell átvinni! (Digitális jelek adatredukciója) Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

10. Hangelfedés az időtartományban Utóelfedés: egy erős hang- inger után, míg az alaphártya rezgései lecsillapodnak, a kisebb intenzitású hang nem hallható! Előelfedés: a korábban meg- Szólaló hangot egy később érkező erős hang elfed! Az idegpályákon az áramimpulzusok sebessége a kiváltó inger nagyságától függ? Az időbeli elfedés jelenségét szintén kihasználjuk a digitális jelek adatredukciójánál! Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

11. Két hang hangosságának összege Figyelembe kell venni a kritikus sávokat és a hangelfedés jelenségét a hang intenzitásának függvényében! Ha a két hang frekvenciában távol van egymástól, és nem túl nagy intenzitású (elfedési görbének nincs szerepe), a son-ok összegződnek. Minél nagyobb energiájú a két hang, annál távolabb kell lenni egymástól frekvenciában, pl. 90 dB esetén 10-12 kritikus sáv távolság szükséges! Kritikus sávon belül az intenzitások összegződnek. Ha az egyik hang sokkal hangosabb, elfedi a másikat! (Nem szimmetrikus az elfedés, mély-magas hang, nem mindegy, melyik az erősebb! Digitális hang adatredukciója: pl. 32 frekvenciasávra bontva a jelet egyszerű összegzési és elfedési törvények érvényesek! Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

12. Dinamikus hallásküszöb kialakulása p(dB) 50 40 30 20 10 0 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 f (kHz) Abszolút hallásküszöb Eredő hallásküszöb Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

13. Hangesemény sávszélessége és a hangosság kapcsolata • Kísérlet: 50 dB-es színuszjel hangossága 2 son Tíz db. 40 dB-es színuszjel összhangossága 7,9 son A két jel energiája azonos, de a nagyobb sávszélesség miatt hangosabbnak halljuk! Rövid ideig tartó hang hangosságának fokozása: kissé torzítva a hangot, több spektrumvonal jelenik meg, az eredeti jelhez hozzáadva,a hangosság nagyobb lesz! (Exciter) Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

14. A hallás időállandói • Hallásunk több rezgőrendszer kapcsolata útján alakul ki • Minden rezgőrendszer rendelkezik feléledési (berezgési) és lecsengési idővel (időállandóval, a végállapot 63 %-a) • Mély hangokra 50 ms, 1000 Hz feletti hangokra 20 ms • A teljes hangérzet kialakulásához kb. 200 ms szükséges, ez idő elteltével kapja meg az agy a teljes információ mennyiséget! • A 200 ms „ablakozás” miatt a hangmagasság érzékelésünk nem pontos! (Megérthető a színuszjel, ill. a kapuzott színuszjel Fourier-transzformáltja alapján!) • - Egy 200 ms időtartamig észlelt színuszjelet 5 Hz pontossággal hallunk • Az 50 ms időállandó miatt több, különböző frekvenciájú mély hangot • azonos magasságúnak érzünk! • - A hangmagasság érzékelése függ az intenzitástól is! Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

15. Látásunk alapjai-1 120 millió pálcika, 7 millió csap Pálcika: fényérzékelés Csap: szín+fény Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

16. Látásunk alapjai-2 Ezer db/mm2 Pálcikák Csapok Homlok Orr A háromféle csap érzékenysége a hullámhossz függvényében A csapok és pálcikák relatív sűrűsége a függőleges síkban Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

17. Kép felbontása sorokra Hány sorra bontsuk a képet, hogy ne lássuk a sorokat külön-külön? A szem felbontóképessége szabja meg a sorok számát Fekete-fehér képre: 2 szögperc (két vonal 1mm-re egymástól, 3 m-ről nézve) Színes képre: átlagosan ötször rosszabb 20 fok, két szögperc=600 sor Mozi 4:3 képarány, TV is (SDTV) Állókép 600x800 pixel Mozgókép: legalább 20 kép/s De! legalább 50 felvillanás/s A leg részletgazdagabb kép: egy sorban 400 periódus (fekete-fehér) „Kényelmes látás”: 20 fok látószög Maximális fr. mozgó képnél f= 400x600x25=6 MHz, fekete-fehér képre Színfelbontásunk ötször rosszabb, tehát minden 25.-ik képelemhez kell színinformáció, 6000/25=240 kHz a maximális frekvencia! Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

18. Színes TV kép információtartalma • Mintavételi frekvencia>2x6 MHz, legyen 13,5 MHz, ez az európai és amerikai sorfrekvenciának is egészszámú többszöröse (konvertálhatóság) • 100 f-f árnyalatú képet jónak látunk, legalább 7 bit kell 8 bit • Legyen a színkülönbségi jelekre is 8 bit, bár tudjuk, nem szükséges! • Vadat=fsxN=13,5x(3x8)=324 Mbit/s 4:4:4 mintavételezés • Színkülönbségi jeleket elég fele, vagy negyede akkora frekvenciával mintavételezni, mint a világosságjelet (szem felbontóképessége színekre) • Vadat=13,5x8+6,75x(8+8)=216 Mbit/s 4:2:2 mintavételezés • Vadat=13,5x8+3,375(8+8)=108 Mbit/s 4:1:1mintavételezés 4:2:0 mintavételezés Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

19. Látásunk „becsaphatósága” • Néhány példa az optikai illúziókra: • Mindent perspektívikusan akarunk látni! Minden kép térbeli! • Szemünk és agyunk az objektumok jó elkülönítésére rendezkedett be: világos-sötét váltásnál erősíteni igyekszik a különbséget, a világosat világosabbnak, a sötétet sötétebbnek látjuk. • Háttér-ábra: agyunk képes megcserélni a látott alakzatokat, egyszer háttérnek értelmezve, máskor ábrának ugyanazt! • Az agyunkba ellentétes információk jutnak a képről, az erősebb dominál, annak ellenére, hogy a tudatunk jelzi az ellentmondást! • Sok illúziót már „megtanult” agyunk, egy beépített skála alapján a téves észlelést korrigálja. Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

20. „Optikai csalódás”-1 Sötétből világosba váltást világosabbnak, világosból sötétbe váltást sötétebbnek látjuk! Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

21. „Optikai csalódás”-2 Perspektívikusan akarunk látni: a hosszú vonalaknak összetartónak kellene lenni a rövid vonalaknak sűrűsödnie kellene. Mivel nem sűrűsödnek,a hosszú vonalak széttartónak látszanak. (Zöllner illúzió) Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

22. „Optikai csalódás”-3 A perspektíva miatt a hátsó alakot kisebbnek kell látni, ha egyforma méretűek, az agy felnagyítja a hátsó alakot! Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

23. „Optikai csalódás”-4 „Mindent térbelinek akarunk látni” Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink

24. Melyik érzékszervünk „finomabb”? • Hallásküszöb 1 kHz:10-9 W-os hangforrás 30 méterről hallgatva • Képi analógia: mintha egy 25 W-os izzót 1400 km-ről látnánk! • TV: 50 félkép/s, mozi: 48 kép/s • Képzeljünk el egy zeneművet 40-50 Hz-cel megszaggatva! • Hangtömörítés átlagosan 10x • Képtömörítés átlagosan 100x Cs.J. 2009.02.16. Híranyagok jellemzői, érzékszerveink